05 Bombas Centrifugas y Curvas de Bombas

Tecsup

Bombas Centrifugasy Curvas de Bombas

Tecsup Virtu@l Índice

Índice

1. DEFINICIÓN DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS ............................................................. 12. PARTES DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA ....................................................................... 2

2.1. IMPULSORES ................................................................................................... 22.1.1. IMPULSORES DISEÑADOS DE ACUERDO A LA DIRECCIÓN DE FLUJO ....... 32.1.2. IMPULSORES DISEÑADOS DE ACUERDO A SU ADMISIÓN ........................ 42.1.3. POR SU CONSTRUCCIÓN MECÁNICA....................................................... 4

2.2. CARCAZAS Y DIFUSORES.................................................................................. 52.2.1. BOMBAS CON CARCAZA DE VOLUTA....................................................... 52.2.2. BOMBAS DE TURBINA............................................................................ 6

2.3. ANILLOS DE DESGASTE.................................................................................... 62.3.1. ANILLOS BOQUILLA............................................................................... 62.3.2. ANILLOS DE INTERFERENCIA................................................................. 72.3.3. ANILLOS BARRIDOS CON AGUA ............................................................. 7

2.4. EJES Y CAMISAS PARA LOS EJES....................................................................... 72.5. COJINETES ...................................................................................................... 82.6. RODAMIENTOS ................................................................................................ 8

3. CURVAS DE BOMBAS CENTRÍFUGAS .......................................................................... 93.1. ENSAYO ELEMENTAL ........................................................................................ 93.2. CURVA CARGA-CAUDAL ( H-Q )......................................................................... 93.3. CURVA DE POTENCIA DE ACCIONAMIENTO (PA-Q) ...........................................103.4. CURVA DE RENDIMIENTO-CAUDAL ( NT-Q )......................................................113.5. CURVA DE LA N.S.P.H-CAUDAL (N.S.P.H -Q ) ....................................................123.6. CURVA DE ENSAYO COMPLETO........................................................................133.7. CURVAS DE SISTEMA DE BOMBEO ...................................................................14

3.7.1. CURVA DE FRICCIÓN DEL SISTEMA.......................................................143.7.2. CURVA TÍPICA DE UN SISTEMA DE BOMBEO .........................................143.7.3. CURVA DE MAYOR CARGA ESTÁTICA Y ESCASA PÉRDIDA DE CARGA ......153.7.4. CURVA DE CARGA POR GRAVEDAD........................................................153.7.5. CURVA DE SISTEMA DE BOMBEO PARA DIFERENTES TAMAÑOS

DE TUBERÍAS .......................................................................................163.8. PUNTO DE OPERACIÓN ( PUNTO DE TRABAJO) PARA UNA BOMBA ....................17

3.8.1. UNTO DE OPERACIÓN EN UNA CURVA HQ DEL SISTEMA TÍPICO ............173.8.2. PUNTO DE OPERACIÓN EN UNA CURVA DE PRESIÓN ESTÁTICA

VARIABLE ............................................................................................173.8.3. PUNTO DE OPERACIÓN EN UNA CURVA DE RESISTENCIA VARIABLE.......18

4. PRUEBA DE AUTOCOMPROBACIÓN ...........................................................................205. SOLUCIÓN A LA PRUEBA DE AUTOCOMPROBACIÓN ..................................................23

Tecsup Virtu@l Bombas Centrífugas y Curvas de Bombas

-1-

"BOMBAS CENTRÍFUGAS Y CURVAS DE BOMBAS"

1. DEFINICIÓN DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS

Una bomba centrífuga consiste de un armazón, normalmente metálico en el cual hay unimpulsor o rodete formado por un juego de álabes rotatorios dentro de un alojamiento, ocarcaza, que utilizan para impartir energía a un fluido por medio de la fuerza centrífuga.

El principio de funcionamiento de una bomba centrífuga es que el líquido que ingresa alcuerpo de la bomba, es impulsado por el rodete por fuerza centrífuga aumentando suvelocidad, que luego es direccionado (por difusores) y que por diseño de la carcaza (volutasmayormente) la velocidad se cambia aumento de presión.

Se presenta a manera de ilustración la similitud del funcionamiento de una bombacentrífuga, con el movimiento de un líquido en un balde al cual a través de su asa se sometee un movimiento rotatorio, la fuerza centrífuga impulsa al líquido por una conducto.


-2-

2. PARTES DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA

Se presenta a manera de ejemplo el despiece de una bomba centrífuga en donde se observalas principales partes que la conforman. Los nombres están señalados por letras:

A: empaquetadura, o estopada.B: arcos metálicos para presionar las empaquetaduras.C: prensaestopas, con sus tornillos de sujección tienen por misión presionar la

estopada.D y N: carcaza inferior del cuerpo de la bombaE: brida que sujeta a la tubería de succiónM: base del cojineteK: cojineteL: engrasadorH: impulsor o rodete de la bombaF y G: exterior e interior de la parte superior de la bomba.

2.1. IMPULSORES

Son los elementos mecánicos diseñados de acuerdo a los requerimientos de losmateriales a impulsar. Estos se pueden clasificar de acuerdo a la dirección de flujoque son impulsados, por la forma de admisión de líquido, por su construcciónmecánica.


-3-

2.1.1. IMPULSORES DISEÑADOS DE ACUERDO A LA DIRECCIÓN DE FLUJO

• Impulsores de Flujo Radial: son aquellos que el líquido lo impulsanen dirección radial, obedece al diseño de los álabes del impulsor.

• Impulsores de flujo axial: son aquellos que por diseño de los rodetes,impulsan en dirección axial ( al eje) al líquido.

Álabes del impulsor

I IMPULSOR DE FLUJO

AXIAL

• Impulsores de flujo mixto: son aquellos que cambian los principiosde flujo radial y axial.


-4-

2.1.2. IMPULSORES DISEÑADOS DE ACUERDO A SU ADMISIÓN

• Succión simple: son aquellos cuando solo hay una entrada a un ladode la bomba.

• Doble succión: cuando el líquido fluye hacia el impulsor en formasimétrica, de los dos lados.

2.1.3. POR SU CONSTRUCCIÓN MECÁNICA

• Cerrados: son aquellos cuyos álabes del impulsor tienen placas derefuerzo o paredes laterales que limitan a los conductos para el líquido.


-5-

• Abiertos: son aquellos impulsores que no tienen paredes de refuerzo.

• Semiabiertos: son aquellos donde los álabes están adosados a unaplaca de refuerzo.

2.2. CARCAZAS Y DIFUSORES

2.2.1. BOMBAS CON CARCAZA DE VOLUTA

Este tipo de bomba cuya carcaza es parecida al caparazón de un caracol. Laforma más sencilla de las bombas centrífugas es de etapa única, succiónúnica e impulsor abierto


-6-

El impulsor va montado en la carcaza de la bomba C, (observe la figura) detal forma que las dos mitades de la carcaza están tan próximas como esposible a los álabes del impulsor. El líquido ingresa por la conexión desucción y es lanzada hacia afuera por el movimiento rotacional de losálabes. A medida que el líquido sale de los álabes y entra a la voluta D dela carcaza, su velocidad disminuye. La presión aumentará, siendo esta lafuente de carga hidrostática de la bomba.

En estas bombas hay pérdida de energía debido a la turbulencia en el puntoen que el líquido cambia su dirección desde el movimiento radial ( por accióndel impulsor) a tangencial, en la voluta de descarga.

2.2.2. BOMBAS DE TURBINA

Las bombas de turbina se distinguen por la inserción de un anillo difusorcuyo objetivo es permitir que el líquido efectúe este cambio de direcciónsuavemente, sin choques, ni remolinos.

Bomba de turbina de aspiración simple y una sola etapa: A. anillo difusor; B,pasos en el anillo difusor; C, rodete; D, voluta de descarga; E, portillas deequilibrio; F, soporte de empuje; C, tuberías para el cierre hermético; H,anillo de linterna.

2.3. ANILLOS DE DESGASTE

Son aquellos dispositivos especiales baratos y fáciles de cambiar que sonacondicionados en los impulsores y las carcazas por ser las partes de las bombascentrífugas más expuestas a la acción abrasiva de los líquidos.

2.3.1. ANILLOS BOQUILLA

Son aquellos que dejan un espacio axial grande entre el impulsor y el anillode la carcaza de tal forma que permite que la velocidad del líquido sea bajaen la corriente que entra al eje de succión además que lo guía hacia esadirección.


-7-

2.3.2. ANILLOS DE INTERFERENCIA

Son aquellos diseñados de tal forma que tienen dos o más juntas de escapeanulares conectadas a una cámara de alivio.

2.3.3. ANILLOS BARRIDOS CON AGUA

Son usados especialmente en bombas de agua cruda en servicios de plantasde agua y servicios de aguas negras los cuales contienen arena o cascajo.

2.4. EJES Y CAMISAS PARA LOS EJES

La función básica del eje de una bomba centrífuga es la de transmitir los paresmotores que se encuentran en el arranque y durante la operación, mientras soportanal impulsor y otras partes en rotación.


-8-

En el caso de una bomba centrífuga horizontal el eje es una sola pieza a lo largo detoda la bomba. En las bombas verticales de pozo profundo, los ejes (o flechas) estándistribuidos en la siguiente forma: la serie de impulsores están unidos a una flecha yuna serie de flechas están unidas por acoplamientos para completar toda la longituddel pozo.

Las camisas de los ejes ( o flechas) protegen a las flechas contra la corrosión, laerosión y el desgaste en la caja del estopero.

2.5. COJINETES

Los ejes tienen que apoyarse, y lo hace a través de los gorrones. Estos gorronesestán sometidos a fuerzas de rozamiento. Es por ello que los cojinetes, anillos debronce generalmente son los soportes de los gorrones.

Los cojinetes en forma sencilla consisten en simples aros cuyas superficies estánperfectamente mecanizados. Están dotados de un sistema de engrase a través deunas ranuras por el cual circula el aceite de engrase.

2.6. RODAMIENTOS

Pueden ser radiales o axiales, pueden ser construidos con bolas o rodillos. En lafigura se observa un rodamiento a bolas cortado, obsérvese que está formado de dosaros de acero, por cuyo intermedio se deslizan esferas del mismo material. Loscojinetes de rodillos son idénticos a los de bolas diferenciándose en que los elementosde rodamiento son cilíndricos.


-9-

El montaje de estos rodamientos se puede observar en la figura. El anillo (1) interiorestá firmemente fijado a presión al eje o árbol y el anillo exterior (2) fijado alsoporte, que a su vez se atornilla al cuerpo de la bomba.

3. CURVAS DE BOMBAS CENTRÍFUGAS

3.1. ENSAYO ELEMENTAL

A través del ensayo elemental de una bomba se pude obtener las curvascaracterísticas. Este ensayo elemental consiste en que manteniéndose constante elnúmero de revoluciones, n, se varía el flujo volumétrico, Q y se obtienenexperimentalmente las curvas: Cargas versus Caudal; Potencia al freno versus Caudaly Rendimiento versus Caudal.

3.2. CURVA CARGA-CAUDAL ( H-Q )

Esta curva es normalmente decreciente, pues al aumentar la velocidad de paso por elinterior de la bomba, el fluido está sometido menos tiempo a la aceleración de lasálabes del impulsor, recibiendo una menor cantidad de energía cinética, siendo lacarga total adquirida menor.


-10-

Un impulsor ancho, su curva H-Q, es casi aplanada, mientras que con impulsorangosto la curva H-Q es más inclinada. La inclinación de los álabes altera la curva H-Q, hay relación directa cuanto más inclinada son los álabes, la curva H-Q también loes. El número de álabes también influye, así, a mayor número de álabes del impulsorse obtiene una curva más aplanada y lógicamente a menor número de álabes la curvaH-Q es más inclinada.

H-Q para impulsor ancho H H- H

H-Q para impulsor angosto

Q

3.3. CURVA DE POTENCIA DE ACCIONAMIENTO (PA-Q)

Esta curva es del tipo ascendente, pues al impulsar un caudal de líquido mayor, laenergía que es necesaria aplicar al eje de la bomba deberá ser también mayor.

Teniendo en cuenta las pérdidas que se producen en las bombas: las mecánicas(rozamiento en prensa-estopas, del eje con los cojinetes, el rozamiento de disco,etc), las hidráulicas (rozamiento del fluido entre sí, con el impulsor, corona directriz,etc), y las volumétricas (corriente de recirculación y escapes al exterior) modifican lapotencia de accionamiento, siendo la potencia útil la que recibe el fluido. Elrendimiento total, nt= Pu/Pa ( Potencia útil / Potencia al freno).


-11-

Pa(HP)

Q

3.4. CURVA DE RENDIMIENTO-CAUDAL ( NT-Q )

Como el rendimiento total de una bomba, relaciona la potencia útil y la potencia deaccionamiento ( al freno), esta curva es normalmente ascendente llegando a unmáximo, el cual corresponde al flujo volumétrico de operación.

ηt

Q


-12-

3.5. CURVA DE LA N.S.P.H-CAUDAL (N.S.P.H -Q )

El N.S.P.H requerido por la bomba, es la información técnica que el proveedor debombas debe entregar al usuario de las mismas. Estas curvas son elaboradasnormalmente, utilizando el agua como fluido de trabajo y los experimentos serealizan al nivel del mar.

NSPH

Q

Normalmente el fabricante le ofrece la curvas de las bombas en forma completa. En lafigura se muestra las curvas características de una bomba auto cebante, en ellasestán graficadas las curvas carga-caudal, H-Q; la potencia al freno-caudal, Pa-Q; larendimiento-caudal, nt-Q y la N.S.P.H -caudal.

H

curva HQ

curva ηt-Q

ηt

Pa curva Pa-Q(HP)

curva NSPH-Q NSPH

Q


-13-

3.6. CURVA DE ENSAYO COMPLETO

El ensayo completo de una bomba es de un conjunto de ensayos elementales,caracterizado cada uno por un número de revoluciones distinto: consta de varias ( 5 a8) curvas H-Q y de varias curvas ηt = C. Al conjunto de todas las curvas se denominacurvas de concha ( o colina de rendimientos).

Las bombas pueden seraccionadas no sólo por motoresde inducción de velocidadconstante, sino también pormotores de gasolina, o diesel,turbinas de vapor, etc. develocidad regulable a través decambios de velocidad mecánicoso hidraúlicos, es decir, unabomba puede trabajar a númerode revoluciones distintas.

La figura se observa que labomba puede funcionar en todauna región del plano HQ que sellama campo característico. Lalínea de trazos que une lospuntos medios de las curvas deisoeficiencia se denomina Líneamáxima de rendimiento.

Curvas de diámetro del impulsor

En la figura se muestra la familia decurvas que muestran elcomportamiento de una bomba enparticular con impulsores de diferentesdiámetros. Se superponen usualmentelas curvas de isoeficiencia. Estándispuestas las curvas de potencia alfreno y la curva de N.S.P.H requerida.

Q


-14-

3.7. CURVAS DE SISTEMA DE BOMBEO

Al definir una carga de una bomba, si el flujo es turbulento (lo cual es normal), lacarga manométrica de la bomba ( o altura dinámica total) se puede expresar:

Hm = hp +hest. + kQ2

Si la carga de presión, hp = 0 ( tanque abierto a la atmósfera), se reduce:

Hm = Hest. + kQ2

Si los tanques están al mismo nivel hest. = 0, la ecuación se reduce a:

Hm = kQ2

3.7.1. CURVA DE FRICCIÓN DEL SISTEMA

Se sabe que la pérdida de carga, en un sistema de bombeo depende deltamaño de la tubería, la longitud, la velocidad de flujo, las característicasinternas de la tubería y naturaleza del fluido como así mismo los tipos deaccesorios o singularidades instaladas en el sistema ( válvulas, codos,expansiones, etc.)

En la figura se muestra el caso de un bombeo de fluido del depósito A al B (estando ambos al mismo nivel o que haya una diferencia muy pequeña ), lacarga manométrica depende únicamente de la pérdida de carga ( porfricción y accesorios ) y la curva sería de tipo parabólico.El término Hf es lapérdida de carga.

B

Bomba

Hf

H

Q

A

3.7.2. CURVA TÍPICA DE UN SISTEMA DE BOMBEO

En un sistema típico de bombeo interesa tanto la carga de presión, cargaestática y la pérdida de carga.

Si en la figura se muestra que un fluido se transporta del depósito A al Bpor medio de una bomba, y si los recipientes están debidamente ventilados (se ejerce la presión atmosférica sobre ellos), se muestra la curva H-Q. Eltérmino Hest. es la elevación estática de succión. Si alguno de los recipienteso ambos están sometidos a vacío, o presurizados, habría que agregar lacorrespondiente carga.


-15-

3.7.3. CURVA DE MAYOR CARGA ESTÁTICA Y ESCASA PÉRDIDA DE CARGA

Esto se presenta usualmente cuando se bombea líquidos que están endepósitos debajo de la superficie del suelo. Se entiende que para que hayaescasa pérdida de carga es cuando no hay muchos accesorios y el tramo estipo lineal en lo posible.

B

Bomba

A

hc

H

Q

3.7.4. CURVA DE CARGA POR GRAVEDAD

Este caso se presenta cuando el nivel del tanque que provee el líquido, esmayor que el nivel del depósito que recepciona dicho fluido, se opta por usaruna bomba cuando se requiere aumentar el caudal.


-16-

A

B

Q gravedad

Bomba

H

Q

(+)

(-)

H gravedad

En este caso una parte de la curva del sistema pasa por valores negativos,intersectando a la abscisa en un valor de Q por gravedad, esto indica el flujovolumétrico que circularía sin necesidad del uso de una bomba.

3.7.5. CURVA DE SISTEMA DE BOMBEO PARA DIFERENTES TAMAÑOS DETUBERÍAS

En este caso se pueden graficar independientemente las curvas de pérdidasde carga para cada tubería en función del flujo volumétrico. Para obtener lagráfica de la curva total del sistema, se debe adicionar a la carga estática ( sino hay otra carga, por ejemplo la presión) la suma de la pérdidas de cargade cada tubería.

Curva del sistema

A

B

d

DBomba

Curva de pérdidapara ∅ d

Curva de pérdida para∅ D

H

Q

Hest Hest

Bomba


-17-

3.8. PUNTO DE OPERACIÓN ( PUNTO DE TRABAJO) PARA UNA BOMBA

Constituye el punto de intersección de la curva característica de la bomba ( H-Qbomba) y la curva característica del sistema de bombeo o sea la denominada H-Q delsistema.

Si a los ejemplos de arreglos de sistema de bombeo se interceptará con la curva H-Qbomba, lograríamos los puntos denominados de operación o de trabajo.

A manera de ilustración se presentan ejemplos para ubicación del punto de trabajo.

3.8.1. UNTO DE OPERACIÓN EN UNA CURVA HQ DEL SISTEMA TÍPICO

En este caso el recipiente de alimentación y el de recepción del fluido estána presión. Para la determinación de la carga del sistema fijo, estas son lassuma estática y la carga de presión.

El punto de operación se ubicará en a intersección de la curva HQ delsistema y el HQ de la bomba.

A

B

HQbomba

Caudal de posición

y

Curva HQ del sistema total

H

Q

Carga del sistema fijo(Pa/γ +y)-(Pb/γ )

O

3.8.2. PUNTO DE OPERACIÓN EN UNA CURVA DE PRESIÓN ESTÁTICAVARIABLE

En un sistema como el de la figura desde un recipiente de almacenamientoabierto o cerrado) se impulsa un fluido por medio de una bomba centrífugahasta otro recipiente receptor (abierto o cerrado ) siendo su alimentaciónpor la puerta inferior, el flujo volumétrico de la bomba disminuirá alaumentar la carga estática.

En este caso habría dos curvas HQ de sistema que corresponderían a unacarga estática máxima y mínima y por consiguiente dos puntos de operaciónal interceptar dichas curvas con la de la bomba.


-18-

Bomba

H

Q

Y1Y1 A

B

Y2Flujo AFlujo B

HQ bomba

Y2

Para contrarrestrar este inconveniente normalmente se utiliza una bombacon diferentes velocidades del impulsor con la finalidad de mantenerconstante el flujo volumétrico, tal como se observa en la figura.

HQ sistema a cargamáxima

HHQ bomba a velocidad máxima

Flujo constante Q

HQ bomba a velocidad mínimaHQ sistema a carga mínima

3.8.3. PUNTO DE OPERACIÓN EN UNA CURVA DE RESISTENCIA VARIABLE

Cuando se manipula una válvula de regulación en la descarga de unabomba, se produce una variación de la resistencia total modificando la curvaHQ del sistema.

El flujo máximo se obtiene con la válvula completamente abierta, yprogresivamente al estrangular la válvula, la pendiente de la curvacaracterística del sistema aumenta, de tal forma que con la válvulacompletamente cerrada se obtiene una carga manométrica máxima.


-19-

En la figura se observa las figuras descritas y los puntos de operación.

Bomba

Válvula

HHQ bomba

Flujo máximoválvula completamente. abierta

Q

Diferentesposiciones de laválvula deregulación


-20-

4. PRUEBA DE AUTOCOMPROBACIÓN

1 ¿ Qué es una bomba centrífuga?

2 ¿ Cuáles son las partes fundamentales de una bomba centrífuga?

3 ¿ Qué es un impulsor?

4 ¿ Qué es una bomba de carcaza de voluta?

5 ¿ Qué función cumplen los anillos de desgaste?

6 Señale que accesorios colocaría en el siguiente sistema

7 ¿ Qué tipos de válvulas se usan comúnmente?

8 Para los sistemas mostrados en las figuras ¿cuál debería ser su curva en el gráfico HQ?


-21-


-22-

9 ¿ Cuál es el punto de operación de la bomba, tomando como base las curvas mostradasen la figura?


-23-

5. SOLUCIÓN A LA PRUEBA DE AUTOCOMPROBACIÓN

1 La bomba centrífuga es una bomba dinámica, que impulsa líquidos por fuerza centrífuga.El elemento rotatorio es el impulsor, el cual impulsa al líquido a través de difusores(orientadores del flujo) y golpea la carcaza de la bomba transformando la energíacinética en energía de presión.

2 Las partes fundamentales de la bomba centrífuga son:a. impulsorb. carcazac. difusord. anillos protectores de carcazae. ejef. cojinetesg. rodamientos

3 El impulsor o rodete, es el elemento mecánico de diversos diseños que impulsan loslíquidos en la bomba centrífuga.

4 Una bomba centrífuga de carcaza de voluta, es aquella cuya carcaza tiene la forma físicade caparazón de caracol, para transformar la energía cinética en energía de presión.

5 Los impulsores de las bombas están expuestos a la acción abrasiva de los líquidos, por loque deben ser protegidos, por ello se utilizan anillos de desgaste, cuya finalidad esproteger los impulsores y son fácilmente intercambiables.

6 En el ejemplo colocaría en la posición 1, una válvula de retención y en la posición 2, unaválvula de pie con canastilla para evitar la pérdida del cebado de la bomba.

7 Las válvulas más comunes utilizadas en el sistema de bombeo son:a. Válvula de pasob. Válvula de cierrec. Válvula de retención.d. Válvula de pie.

8 Las curvas deben ser:


-24-

a) H

Q

b)

H

Q

c)

H

Q por gravedad

Ces

Q

9 El punto de operación de la bomba es la intersección entre la curva HQ de la bomba y lacurva HQ del sistema de bombeo, en los cuales se dan los parámetros H1, carga de labomba y Q1 el caudal del sistema.

FIN DE LA UNIDAD

Documents

05 Bombas Centrifugas y Curvas de Bombas